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연구의 목적 및 내용
○ 본 연구는 수변지역의 충적 대수층에 존재하는 대용량 지하수의 열원을 활용한 냉난방 시스템을 개발하고 수리지질학적 특성자료와 입출구 온도 등을 지중설비 시스템을 통해 모니터링 하여 지하수열의 추출과 활용 효율을 높이고 최적화하는데 그 목적이 있다.
○ 또한 직접 운영을 통한 미비점을 보완하여 충적층 지하수열 냉난방 설계 및 운영에 관한 지침 및 기준안을 수립하고 이를 통해 향후 실용화와 보급화의 기반을 마련할 수 있다.
○ 따라서 본 연구는 열효율이 유지되면서 경제성이 확보될 수 있도록 수변 충적층 환경을 조사·분석·평가한 자료를 토대로 냉난방 시스템이 효율적으로 원활하게 이루어질 수 있도록 지중설비와 운영 체계를 검토하여 기존 지중설비 대비 효율 향상을 도모하는데 그 목적이 있다.
○ 수변지역 지하수열 활용을 위한 지상 핵심기기 관련 히트펌프 성능 현황 분석, 다양한 부하 대응 및 고온수 제조 히트펌프 최적 설계 기반 기술 확보 및 온실가스 저감 평가 기술 개발
연구개발성과
○ 지하수 유속와 주입 및 양수량을 고려하여 민감도 분석을 수행하여 대수층 특성들이 개방형 시스템의 설계에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 개방형 지열시스템의 효율적인 운영에 중요한 현장 내 지하수 특성을 파악하고자 지하수와 현장 주변 강 사이의 영향을 분석하였고, 운용효율을 향상시키기 위한 최적화 알고리즘을 개발하였다.
○ 다변량 통계분석과 차세대 염기분석방법을 활용하여 현장 수질 분석 및 미생물의 군집 구조를 조사하였고, 히트펌프 가동 후 수질, 미생물, 수온, 수위를 정기적으로 모니터링 함으로서 개방형 지열시스템의 환경영향 인자 및 범위를 추출하여 개방형 지열시스템의 환경유지관리 지침서에 반영하였다.
○ 양평군 양서면 양수리 한강물환경연구소 부지에 "수변 충적층 지하수열 활용 저장 시스템"을 위한 지중설비와 모니터링 시스템을 구축하였다. 지중설비 설치를 위하여 지중헤더를 설치하여 지상부와 연결하여 시범가동을 실시하였다. 지중헤더에 전동밸브를 설치하여 자동제어가 가능하도록 하였다. 양수정과 주입정 및 관측정에 실시간 수위, 온도 계측장치를 설치하여 원격제어가 가능하도록 제어시스템과 연결하여 모니터링을 실시하였다. 설계, 시공지침서 작성을 위해 해외사례를 조사하여 본 지침서 작성에 참고하였다.
○ 국내 인증 히트펌프 성능 현황 분석을 통한 대체 냉매 적용 및 히트펌프 기술 개발 방향 수립
○ 다양한 건축물의 부하 대응을 위한 냉난방 및 급탕 동시 가능 및 고온수 제조 히트펌프 최적 설계 기반 기술 확보
○ 지열원 히트펌프 시스템의 연간 에너지 소모량 및 온실가스 방출량 평가 기법 확립
○ 본 연구과제를 통하여 수변충적층 열물성 수리물성을 측정하였으며 측정된 데이터를 이용한 웹기반 지열 데이터베이스 시스템을 구축하여 일반인에 공개하고 있으며, 수치모델링을 이용한 충적층 지역 지열 부존량 산출법을 개발하였으며 지열 개발 최적지 분석에 사용할 수 있게 하였다. 또한 샌드박스를 이용한 실내실험을 통해 토양내의 수분양과 열전도도간의 상관관계를 파악하여 열물성을 분석하였다.
○ 본 연구과제를 통하여 표준인증기준 KS B : 8292를 통과한 제품 45RT 급 지열히트펌프와 25RT 급 지열히트펌프를 개발하였고, 본 개발품은 60℃이상 출탕이 가능한 고온수 제품이며 레지오넬라균서식 온도보다 높은 온도를 사용하여 레지오넬라균 사멸효과가 있으며, 한국 에너지 공단 등록 제품 중 에서 제품 효율이경쟁사 대비 10.92% 높은 제품을 개발하였다.
연구개발성과의 활용계획(기대효과)
○ 본 연구는 국내 최초로 수변 충적층에서의 개방형 지중 열교환기를 이용한 지하수열원활용 시스템 실증 현장을 구축하여 새로운 친환경-고효율의 에너지원으로써의 활용 가능성을 실증하고 장기적인 모니터링 자료의 축적을 통해 신뢰도 높은 진단, 예측 모델링을 수행할 예정이다. 이를 통해 수변 지역 충적층에서의 개방형 지중 열교환기를 설치하는 설계 기준안과 운영 표준안을 수립가능하고 국내에서는 아직까지 활용 사례가 없었던 수변 충적층에서의 지하수열원 활용 시스템에 대한 인식을 바꿔 잠재력이 무궁무진한 친환경 에너지 활용도를 높이는 데에 기여할 수 있다.
○ 연구 과정에서 기록될 지하수 열원 시스템의 설계 데이터, 지중열용량 산정 데이터 등은 국내 유일의 실증 자료로써 시스템 설계 및 시공 기준 등을 필요로 하는 수변 충적층 또는 천부 지열 에너지 관련 기업에 제공 가능하다. 또한 본 연구를 통해 개발된 기술과 연구 결과는 개발도상국에 다양한 형태로 수출이 가능하다. 단순히 기술뿐만이 아니라 배출된 연구인력 또한 관련 산업의 시장규모가 급격히 성장하고 있는 동남아시아, 몽골 등의 개발도상국에 수출하여 국부창출에 기여할 수 있을 것이다.
○ 지하수열원 시스템의 운영 주기와 운영 방식과 같은 각종 기준 자료를 정보를 필요로 하는 기업과 단체에 공개, 제도화할 수 있다. 또한 다양한 지역의 수변 충적층에 대하여 지하수열원 시스템의 효율을 예측하고 점검할 수 있는 프로그램을 개발하여 상용화 가능하다.
○ 개방형 지중 열교환기를 설치할 경우 지하수열원 활용에 의해 지하내 대수층의 환경이 변화하게 된다. 이로 인한 영향을 최소화하기 위한 환경영향평가 기준이 마련되어야 본격적인 실용화가 가능하므로 이에 대한 선행연구는 필수적이라 할 수 있다. 본 연구를 통해 축적된 수변지역 충적층에서의 개방형 지중 열교환기의 다양한 방식으로의 장기적인 운용에 관한 자료는 환경영향평가 기준을 마련하기 위하여 매우 귀중한 자료가 될 수 있으며, 이는 향후 국내 지하수 열원 활용 시스템의 안정성을 보장하고 보급 활성화에 기여할 수 있다.
○ 또한 최근 4대강 살리기 사업 이후의 하천변 지역의 효율적이고 체계적인 이용관리를 위하여 친수구역활용특별법을 제정하여 수변지역의 관리를 강화하는 방향으로 정책이 추진되고 있으며, 친수구역활용특별법은 하천으로부터 2km 이내 지역의 일부를 체계적으로 개발하기 위한 규정을 포함하고 있는데, 하천과의 연계성 및 신재생에너지의 활용을 최대화할 것을 기본 방향으로 설정하고 있어 대용량 지열에너지의 필요성과 효용성이 대두되고 본 과제의 연구결과가 활용될 수 있을 것이다
○ 본 연구에서 얻은 지열원 히트펌프 유닛 인증 현황 및 각 운전 변수에 따른 성능 분석 자료는 지열원 히트펌프 유닛 개발을 위한 기초 자료로 활용 가능할 것이다. 또한, 각 지중 순환수 유량 등에 따른 히트펌프 유닛의 제품별 성능 비교 분석 자료는 수변지역 지하수열 활용 시스템의 최적 설계와 효율향상을 기반기술로 가능할 것이다. 또한, 기본의 밀폐형 시스템의 고효율화를 위한 설계기술로 활용될 수 있다. 히트펌프 성능 평가 관련 국내외 규격자료는 히트펌프 유닛 개발을 위한 기초 자료로 활용가능할 것이다. 또한, 현재 지열원 히트펌프 유닛 인증 제도에 대한 개선을 통하여 수변지역 지하수열 활용 및 타 지열원과 미활용 에너지 이용 히트펌프 시스템의 성능 평가 및 신뢰성 평가를 위한 기반 기술로 활용 가능할 것이다.
○ 지열원 히트펌프 유닛 고효율화 및 첨단화 기반 기술로 활용
○ 본 연구를 통해 구축한 충적층 열물성 지열 데이터베이스는 지하수열 개발 및 활용에 중요한 기초 자료로 사용될 것이며, 본 연구의 목표인 수변 충적층의 지열부존량 산출과 지열개발 최적지 분석은 최종적으로 지하수열의 활용 방안을 제시하는 데도 중요한 기초자료가 될 것이다.
○ 본 연구과제를 통하여 개발된 지열히트펌프는 베이퍼 인젝션을 이용한 고효율 고온수 제품이며, 조달 등록을 통한 제품 판매 활성화를 하고, 관공서 및 설계사무소 스펙영업(고효율, 고온수)을 지속적으로 추진하여 신규시장 활성화에 크게 기여 할 것으로 본다.
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원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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